Ex) Article Title, Author, Keywords
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New Phys.: Sae Mulli 2022; 72: 564-572
Published online August 31, 2022 https://doi.org/10.3938/NPSM.72.564
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Kyungho Kim1, Kihyeon Cho1,2*
1 Korea Institute of Science and Technology Information, Daejeon 34141, Korea
2 University of Science and Technology, Daejeon 34113, Korea
Correspondence to:*E-mail: cho@kisti.re.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
This paper shows the automatic reconstruction of particles, particularly B meson, at e+e- collider using a machine learning algorithm. During an e+e- collider process, a pair of B meson is created, one of which is regarded as a signal and reconstructed for analysis. The automatic reconstruction of the other B meson can enhance the quality of signal events by controlling information produced from another B meson. This technique is useful particularly when a complete reconstruction of signal B is impossible because of invisible particles are included in the decay mode such as neutrino. In utilizing automatic reconstruction, a ‘tagging’ method has been developed and used in B meson analyses. In this paper, we studied the tagging method of ‘other’ B meson using machine learning algorithms such as artificial neural networks and boosted decision trees. We also applied automatic reconstruction and checked its effect on the analysis of lepton-flavor-violating decay modes with simulation data. The result shows that automatic reconstruction effectively reduces background events and provides separation between signal and background.
Keywords: B physics, Particle reconstruction, e+e- collider, Machine learning, Boosted decision tree, Artificial neural network, Lepton flavor violation
본 논문은 기계학습 알고리즘을 사용하여 전자-양전자 충돌 실험에서의 입자, 특히 B 중간자의 자동 재구성 방법에 관한 연구를 보여준다. 전자-양전자 충돌 실험에서 한 쌍의 B 중간자가 생성된다. 이 중 하나의 B 중간자를 신호 B 입자로 간주하고 연구를 위해 재구성한다. 다른 B 중간자의 자동 재구성은 재구성되는 B 중간자로부터 얻을 수 있는 추가적인 정보들을 활용하여 신호 사건의 질을 향상시킬 수 있다. 이러한 방식은 붕괴 모드에 중성미자 등의 검출되지 않는 입자들에 의해서 신호 B 중간자를 완전히 재구성하는 것이 불가능한 상황에서 유용하다. 이러한 자동 재구성의 이점을 얻기 위해, B 중간자 연구에서 B 중간자를 재구성하는 ‘태깅’ 방법을 개발하고 연구하였다. 본 논문에서는 인공 신경망, 가속 결정트리 등의 기계학습 방법을 활용하여 ‘다른’ B 중간자를 태깅하여 자동 재구성하는 방법을 연구하였다. 자동 재구성 방법을 경입자 맛깔 위반 연구를 위해 생성된 모의시늉 데이터에 적용하여 그 효과를 확인하였다. 그 결과는 자동 재구성 방법이 배경사건을 효과적으로 억제하고 신호 사건과 배경 사건을 크게 분리한다는 것을 보여준다.
Keywords: B 중간자 물리, 입자 재구성, 전자-양전자 충돌실험, 기계학습, 가속 결정트리, 가상 인공 신경망, 경입자 맛깔 보존 위반
본 논문에서는
검출기 모사 단계에서는 사건 생성기에서 생성한
모의시늉을 통해 생산된 사건들은 사전 연구된 입자의 재구성 및 판별 시스템을 통해서 가장 가능도가 높은 특정 입자들로 재구성되며, 이 입자들을 통해 최종적으로
포괄적 방법의 경우 신호
반면, 배타적 방법의 경우에는 1개의 신호
태그
전자-양성자 충돌 실험을 통해
이 알고리즘은 검출기에 저장된 다양한 정보들을 활용하여 전자-양전자 충돌 실험에서 생성되는 ‘검출된 입자(final state particle)’인
기계학습을 이용한 훈련은 각 단계별로 재구성에 관여하는 모든 재구성되는 입자들에 대해서 이루어진다. 예를 들어
위에서 언급한 대로, 자동 재구성 방법은
검출된 입자의 재구성이 끝나면 그 다음에는
자동 재구성은 신호
이 모드의 연구를 위해서 2천만 개의 신호 사건과 약 30억 개의 배경 사건을 활용하였다. 신호 사건은 한 쌍의
이 과정을 통해 알 수 있는 태깅 효율과 배경 사건 억제 정도를 확인하기 위해 신호 사건과 배경 사건의 초기 및 각종 조건 적용 후의 사건의 수를 확인했다. 각 신호, 배경 사건 별 사건의 수는 Table 2에 구체적으로 언급되어 있다. 그 결과 1%의 신호 사건만이 남은 대신 배경 사건들의 효율을 0.04% 이하로 억제할 수 있었다. 이 결과는 아직 전체사건해석 식별자에 제한 조건을 적용하지 않은 상태에서 나온 결과이므로 추가로 전체사건해석 식별자 확률에 더 강력한 제한을 둬서 더 강력한 배경 사건 억제 역시 가능하다.
Table 2 Conditions of signal and background samples of
Class | Signal | Backgrounds | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Type | generic | rare | |||||
Before FEI | |||||||
After FEI | 400,980 | 138,820 | 19,657 | 287 | 2,050 | ||
380,315 | 135,908 | 19,068 | 290 | 2,007 |
또한 자동 재구성 방법은 신호
자동 재구성 방법의 가장 큰 장점 중 하나는 배경 사건의 억제이다. Figure 11은 Fig. 9의 흐름도대로 처리한 신호 및 배경 사건의 효율로, 전체사건해석에 의한 배경 사건 억제를 잘 보여주고 있다. 자동 재구성 식별자의 훈련에 활용되는
자동 재구성 방법은 전자-양전자 충돌 실험을 통해
이 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. 2021R1F1A1064008). 또한 국가초고성능컴퓨팅센터로부터 초고성능컴퓨팅 자원과 기술지원을 받아 수행된 연구입니다(KSC-2022-CHA-0003).